Extracelulární polymerní látka - Extracellular polymeric substance

Tvorba matrice extracelulární polymerní látky v biofilmu

Extracelulární polymerní látky (EPS) jsou přírodní polymery z vysoká molekulová hmotnost vylučuje mikroorganismy do jejich prostředí.[1] EPS stanoví funkční a strukturální integritu biofilmy, a jsou považovány za základní složku, která určuje fyziochemické vlastnosti biofilmu.[2]

EPS se většinou skládají z polysacharidy (exopolysacharidy) a proteiny, ale zahrnují i ​​další makromolekuly, jako jsou DNA, lipidy a humín látky. EPS jsou konstrukčním materiálem bakteriálních sídel a buď zůstávají připojeny k vnějšímu povrchu buňky, nebo jsou vylučovány do jejího růstového média. Tyto sloučeniny jsou důležité při tvorbě biofilmu a připojení buněk k povrchům. EPS tvoří 50% až 90% celkové organické hmoty biofilmu.[2][3][4]

Exopolysacharidy (také někdy zkráceně EPS; Cukry EPS dále) jsou části EPS na bázi cukru. Mikroorganismy syntetizují široké spektrum multifunkčních zařízení polysacharidy včetně intracelulárních polysacharidů, strukturních polysacharidů a extracelulárních polysacharidů nebo exopolysacharidů. Exopolysacharidy obecně sestávají z monosacharidů a některých nesacharidových substituentů (jako je např acetát, pyruvát, sukcinát, a fosfát ). Vzhledem k velké rozmanitosti složení si exopolysacharidy našly rozmanité aplikace v různých potravinářských a farmaceutických průmyslech. Mnoho mikrobiálních EPS cukrů poskytuje vlastnosti, které jsou téměř totožné s dásně aktuálně používán. S inovativními přístupy probíhají snahy o nahrazení tradičně používaných rostlinných a řasových dásní jejich mikrobiálními protějšky. Kromě toho bylo dosaženo značného pokroku při objevování a vývoji nových mikrobiálních cukrů EPS, které mají nová průmyslová využití.[5]

Funkce

Kapsulární exopolysacharidy mohou chránit patogenní bakterie proti vysychání a predaci a přispívat k jejich patogenitě.[6] Bakterie existující v biofilmech jsou méně zranitelné ve srovnání s planktonickými bakteriemi, protože matrice EPS je schopna působit jako ochranná difúzní bariéra.[7] Fyzikální a chemické vlastnosti bakteriálních buněk mohou být ovlivněny složením EPS, které ovlivňuje faktory, jako je rozpoznávání buněk, agregace a adheze v jejich přirozeném prostředí.[7] Kromě toho vrstva EPS působí jako past na živiny a usnadňuje růst bakterií.[7]

Exopolysacharidy některých kmenů bakterií mléčného kvašení, např. Lactococcus lactis subsp. cremoris, přispívají želatinovou strukturou k fermentovaným mléčným výrobkům (např. Viili ) a tyto polysacharidy jsou také stravitelné.[8][9] Příkladem průmyslového využití exopolysacharidů je aplikace dextran v panettone a další chleby v pekárenském průmyslu.[10]

Ekologie

Exopolysacharidy mohou usnadnit připojení bakterie fixující dusík na kořeny rostlin a půdní částice, což zprostředkovává symbiotický vztah.[11] To je důležité pro kolonizaci kořenů a rhizosféra, což je klíčová součást půdních potravinových sítí a koloběhu živin v ekosystémech. Umožňuje také úspěšnou invazi a infekci hostitelské rostliny.[11]

Bakteriální extracelulární polymerní látky mohou pomoci při bioremediace těžkých kovů, protože mají schopnost adsorbovat kovové kationty, mimo jiné rozpuštěné látky.[12] To může být užitečné při čištění systémů odpadních vod, protože biofilmy jsou schopné vázat se na a odstraňovat kovy, jako je měď, olovo, nikl a kadmium.[12] Vazebná afinita a kovová specificita EPS se liší v závislosti na složení polymeru a také na faktorech, jako je koncentrace a pH.[12]

V geomikrobiologické V souvislosti s tím bylo pozorováno, že EPS ovlivňují zejména srážení minerálů uhličitany.[13] EPS se také může vázat na suspenze biofilmu a zachycovat jej, což může omezit disperzi a cyklování prvků.[13] Stabilitu sedimentu lze zvýšit pomocí EPS, protože ovlivňuje soudržnost, propustnost a erozi sedimentu.[13] Existují důkazy, že adheze a schopnost vázat kov na EPS ovlivňují míry loužení minerálů v environmentálním i průmyslovém kontextu.[13] Tyto interakce mezi EPS a abiotickým prostředím umožňují EPS mít velký dopad na biogeochemické cyklování.

Interakce predátorů a kořistí mezi biofilmy a bakterivory, jako jsou hlístice Caenorhabditis elegans žijící v půdě, byly rozsáhle studovány. Produkcí lepivé matrice a tvorbou agregátů mohou biofilmy Yersinia pestis zabránit krmení tím, že ucpávají ústa C. elegans.[14] Kromě toho mohou biofilmy Pseudomonas aeruginosa bránit klouzavé motilitě C. elegans, označované jako „fenotyp bažiny“, což vede k zachycení C. elegans v biofilmech a brání průzkumu hlístic, aby se živily vnímavými biofilmy.[15] To významně snížilo schopnost predátora krmit se a rozmnožovat se, čímž se podpořilo přežití biofilmů.

Nové průmyslové využití

Vzhledem k rostoucí potřebě najít efektivnější a ekologičtější alternativu k konvenčním metodám odstraňování odpadu věnuje průmysl větší pozornost funkci bakterií a jejich EPS cukrů bioremediace.[16]

Vědci zjistili, že přidání EPS cukrů z sinice na odpadní vody odstraňuje těžké kovy, jako je měď, kadmium a olovo.[16] Samotné cukry EPS mohou fyzicky interagovat s těmito těžkými kovy a přijímat je skrz biosorpce.[16] Účinnost odstraňování lze optimalizovat zpracováním EPS cukrů různými kyselinami nebo zásadami před jejich přidáním do odpadní vody.[16] Některé kontaminované půdy obsahují vysokou hladinu polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH); EPS z bakterie Zoogloea sp. a houba Aspergillus niger, jsou účinné při odstraňování těchto toxických sloučenin.[17] EPS obsahují enzymy jako např oxidoreduktáza a hydroláza, které jsou schopné degradovat PAH.[17] Míra degradace PAH závisí na koncentraci EPS přidaných do půdy. Tato metoda se ukazuje jako nízkonákladová a vysoce efektivní.[17]

V posledních letech bylo zjištěno, že cukry EPS z mořských bakterií urychlují čištění ropných skvrn.[18] Během Únik ropy Deepwater Horizon v roce 2010 dokázaly tyto bakterie produkující EPS rychle růst a množit se.[18] Později bylo zjištěno, že jejich EPS cukry rozpustily olej a vytvořily ropné agregáty na povrchu oceánu, což urychlilo proces čištění.[18] Tyto ropné agregáty také poskytovaly cenný zdroj živin pro další mořská mikrobiální společenství. To vědcům umožňuje upravit a optimalizovat použití cukrů EPS k odstranění ropných skvrn.[18]

Seznam extracelulárních polymerních látek

Sukcinoglykan z Sinorhizobium meliloti

Viz také

Reference

  1. ^ Staudt C, Horn H, Hempel DC, Neu TR (2004). "Objemová měření bakteriálních buněk a extracelulárních polymerních látek glykokonjugátů v biofilmech". Biotechnol. Bioeng. 88 (5): 585–92. doi:10,1002 / bit. 20241. PMID  15470707.
  2. ^ A b Flemming, Hans-Curt; Wingender, Jost; Griebe, Thomas; Mayer, Christian (21. prosince 2000), „Fyzikálně-chemické vlastnosti biofilmů“, L. V. Evans (ed.), Biofilmy: Nedávné pokroky v jejich studiu a kontrole, CRC Press, str. 20, ISBN  978-9058230935
  3. ^ Donlan, Rodney M. (září 2002). „Biofilms: Microbial Life on Surfaces“. Vznikající infekční nemoci. 8 (9): 881–890. doi:10.3201 / eid0809.020063. PMC  2732559. PMID  12194761.
  4. ^ Donlan RM, Costerton JW (2002). „Biofilmy: mechanismy přežití klinicky relevantních mikroorganismů“. Clin. Microbiol. Rev. 15 (2): 167–93. doi:10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002. PMC  118068. PMID  11932229.
  5. ^ Suresh a Mody (2009). "Mikrobiální exopolysacharidy: rozmanitost a potenciální aplikace". Mikrobiální výroba biopolymerů a prekurzorů polymerů. Caister Academic Press. ISBN  978-1-904455-36-3.[stránka potřebná ]
  6. ^ Ghosh, Pallab Kumar; Maiti, Tushar Kanti (2016). „Struktura extracelulárních polysacharidů (EPS) produkovaných rhizobií a jejich funkce v symbióze luštěnin a bakterií: - přehled“. Úspěchy v biologických vědách. 10 (2): 136–143. doi:10.1016 / j.als.2016.11.003.
  7. ^ A b C Harimawan, Ardiyan; Ting, Yen-Peng (říjen 2016). "Výzkum vlastností extracelulárních polymerních látek (EPS) P. aeruginosa a B. subtilis a jejich role v bakteriální adhezi". Koloidy a povrchy B: Biointerfaces. 146: 459–467. doi:10.1016 / j.colsurfb.2016.06.039. PMID  27395039.
  8. ^ Welman AD (2009). "Využívání exopolysacharidů z bakterií mléčného kvašení". Bakteriální polysacharidy: současné inovace a budoucí trendy. Caister Academic Press. ISBN  978-1-904455-45-5.[stránka potřebná ]
  9. ^ Ljungh A, Wadstrom T (redaktoři) (2009). Lactobacillus Molecular Biology: From Genomics to Probiotics. Caister Academic Press. ISBN  978-1-904455-41-7.CS1 maint: další text: seznam autorů (odkaz)[stránka potřebná ]
  10. ^ Ullrich M (editor) (2009). Bakteriální polysacharidy: současné inovace a budoucí trendy. Caister Academic Press. ISBN  978-1-904455-45-5.CS1 maint: další text: seznam autorů (odkaz)[stránka potřebná ]
  11. ^ A b Ghosh, Pallab Kumar; Maiti, Tushar Kanti (2016). „Struktura extracelulárních polysacharidů (EPS) produkovaných rhizobií a jejich funkce v symbióze luštěnin a bakterií: - přehled“. Úspěchy v biologických vědách. 10 (2): 136–143. doi:10.1016 / j.als.2016.11.003.
  12. ^ A b C Pal, Arundhati; Paul, A. K. (březen 2008). „Mikrobiální extracelulární polymerní látky: centrální prvky v bioremediaci těžkých kovů“. Indian Journal of Microbiology. 48 (1): 49–64. doi:10.1007 / s12088-008-0006-5. PMC  3450203. PMID  23100700.
  13. ^ A b C d Tourney, Janette; Ngwenya, Bryne T. (2014-10-29). „Role bakteriálních extracelulárních polymerních látek v geomikrobiologii“. Chemická geologie. 386 (Dodatek C): 115–132. Bibcode:2014ChGeo.386..115T. doi:10.1016 / j.chemgeo.2014.08.011.
  14. ^ Atkinson, Steve; Goldstone, Robert J .; Joshua, George W. P .; Chang, Chien-Yi; Patrick, Hannah L .; Cámara, Miguel; Wren, Brendan W .; Williams, Paul (6. ledna 2011). „Vývoj biofilmu na Caenorhabditis elegans od Yersinie je usnadněn potlačením sekrece typu III závislým na kvoru“. PLOS patogeny. 7 (1): e1001250. doi:10.1371 / journal.ppat.1001250. PMC  3017118. PMID  21253572.
  15. ^ Chan, Shepherd Yuen; Liu, Sylvia Yang; Seng, Zijing; Chua, Song Lin (21. září 2020). "Matice biofilmu narušuje motilitu háďátek a predátorské chování". Časopis ISME: 1–10. doi:10.1038 / s41396-020-00779-9. PMID  32958848.
  16. ^ A b C d Mota, Rita; Rossi, Federico; Andrenelli, Luisa; Pereira, Sara Bernardes; De Philippis, Roberto (září 2016). „Uvolněné polysacharidy (RPS) z Cyanothece sp. CCY 0110 jako biosorbent pro bioremediaci těžkých kovů: interakce mezi kovy a vazebnými místy RPS“. Aplikovaná mikrobiologie a biotechnologie. 100 (17): 7765–7775. doi:10.1007 / s00253-016-7602-9. PMID  27188779. S2CID  15287887.
  17. ^ A b C Jia, Chunyun; Li, Peijun; Li, Xiaojun; Tai, Peidong; Liu, Wan; Gong, Zongqiang (01.08.2011). „Rozklad pyrenu v půdě extracelulárními polymerními látkami (EPS) extrahovanými z kapalných kultur“. Procesní biochemie. 46 (8): 1627–1631. doi:10.1016 / j.procbio.2011.05.005.
  18. ^ A b C d Gutierrez, Tony; Berry, David; Yang, Tingting; Mishamandani, Sara; McKay, Luke; Teske, Andreas; Aitken, Michael D. (27. června 2013). „Role bakteriálních exopolysacharidů (EPS) v osudu oleje uvolněného během ropné skvrny Deepwater Horizon“. PLOS ONE. 8 (6): e67717. Bibcode:2013PLoSO ... 867717G. doi:10.1371 / journal.pone.0067717. PMC  3694863. PMID  23826336.

externí odkazy